汪克爾發動機

汪克爾發動機是指一種活塞在氣缸內作旋轉運動的新型內燃機。自18世紀70年代開始，世界上一直有不少設計師和發明家在探求取消往復活塞式發動機中的往復運動，使之向更高速發展。使用最成功的是1954年由德國費·汪克爾（FelixHeinrichWankle）

基本介紹

• 中文名：汪克爾發動機概述
• 性質：活塞在氣缸內作旋轉運動的內燃機
• 套用：機車發動機等
• 領域：機械工程

結構

汪克爾發動機結構特點是：氣缸是一個扁盒子，內有形空腔，活塞呈扁平三角形,偏心地置於空腔中並滑套在主軸的偏心軸上，兩端面與缸體及缸蓋平面緊貼;活塞內部的齒圈和與氣缸同心且固定在發動機主軸上的齒輪嚙合，偏心軸距與內外齒輪的中心距相同，從而構成一對齒數比為3=2的內嚙合行星齒輪副。當活塞在氣缸內作行星運動時，其三角尖端始終與氣缸內腔表面接觸，形成三個分隔的空間，三個空間的容積隨活塞轉動作周期性的變化，活塞轉1圈偏心軸轉3圈。在缸體周邊或側端面適當位置開有進排氣口，另一側裝有火花塞，每個工作室隨活塞位置變動而經歷進氣-壓縮-燃燒膨脹-排氣四個工作過程，活塞每轉1圈三個工作室完成一次四衝程工作循環。

基本工作原理

汪克爾發動機的基本結構是在一個橢圓形的空間中，置入一個勒洛三角形形狀的轉子，轉子的三個面將橢圓形空間劃分為三個獨立的燃燒室。由於轉子采偏心運轉，因此這些被分隔的獨立燃燒室在運轉過程中，容積會不斷地改變，此型發動機就是利用密閉空間變化的特質來達成四行程運轉所需要的進氣、壓縮、點火與排氣過程。

傳統四衝程往復式活塞發動機發動機轉兩圈，各汽缸才完成一次進氣、壓縮、點火與排氣的過程。至於汪克爾發動機，轉子內圈齒輪的齒數為51、中心齒輪的齒數為34，51-34=17、17÷51=1/3。轉子的三個面同步進行不同的四衝程周期，故第一個面回到原點（也就是轉子轉一圈）便完成三次四衝程周期。

優點

汪克爾發動機的轉子每旋轉一圈就作功三次，與一般的四衝程發動機每旋轉兩圈才作功一次相比，整個發動機只有兩個轉動部件，跟一般的四衝程往復式發動機具有二十多個活動部件相比，簡化的結構使發動機體積縮小、重量減輕，故障率也減少。另外，由於轉子發動機的軸向運轉特性，它不需要精密的曲軸平衡就能達到較高的運轉轉速，其轉速比往復式發動機上升得快，且具有高馬力容積比（發動機容積較小卻能輸出較多動力）的優點。

轉子旋轉的圓形運動比往復式活塞發動機的水平直線運動（指連桿、曲軸帶動活塞）運行得更平順，故汪克爾發動機的震動與噪音比較小。汪克爾發動機既然體積不大且運轉順暢，又沒有往復式發動機排氣門導致的局部高熱，所以排放的廢氣中少有碳氫化合物，這也是優點之一。

再者，汪克爾發動機沒有進、排氣門為轉子進行吸、排氣埠的開闔，故不會產生因氣門結構引起的機械性損失或失誤，即使高轉數運作下也能確保正常的啟閉。因此以馬力而言，汪克爾發動機比往復式活塞發動機占更大的優勢。

缺點

想提升往復式活塞發動機的輸出馬力，方法非常簡單，但汪克爾發動機則不然。譬如改變往復式活塞發動機凸輪軸的角度或揚程，以變更氣門正時或加大重疊角而提升馬力；在汪克爾發動機上則可移動或擴張進、排氣埠得到同樣的效果。但是組裝往復式發動機的凸頂活塞提高壓縮比，以增加油氣混合密度且調整空燃比進而提升馬力，這種方式在汪克爾發動機上卻辦不到。即使加大轉子側邊的凹槽尺寸，也不能改變其空氣吸入量。換言之，想改造汪克爾發動機本體而增加馬力，便必須犧牲低轉速扭力換取高轉速馬力。

此外，點火系統也是汪克爾發動機的弱點之一。因為它的燃燒室會移動運轉，爆炸的過程中火焰傳播的型態必定不佳，要採用複雜的雙點火系統和更強力的電火花，所以點火正時與火花塞的位置非常重要。

因燃燒時間短暫，混合油氣的燃燒不完全，使得耗油量比往復式發動機多了約10%。汪克爾發動機在啟動與低轉速時會排出大量的碳氫化合物，是往復式發動機的二倍。但是加速提高轉速後，排出量明顯下降，所以一般對汪克爾發動機的空氣污染問題都有疑慮。為了解決這個問題，一般會加裝熱反應器、觸媒反應器與後燃器等裝置。相對地，由於轉子發動機的三個燃燒室並非完全隔離，因此在使用一段時間之後容易因為菱封材料與缸壁磨損而造成漏氣問題，大幅增加油耗與污染。

雖然轉子發動機具有以小排氣量、利用高轉速而產生高輸出的特性，但由於工作原理與往復式發動機不同，世界各國在制訂發動機排氣量的稅則時，皆是以轉子發動機的實際排氣量乘以二來作為與往復式發動機之間的比較基準。舉例來說，馬自達生產的RX-8跑車，實際排氣量雖然只有1,308c.c.，但在日本國內卻是以2,616c.c.的排氣量來作為稅級計算的基準。

套用領域

機車發動機

1974年後的三年間，德國赫拉克勒斯公司（Hercules GmbH）大量製造了以汪克爾發動機為動力來源的赫拉克勒斯W-2000。他們的汪克爾發動機製造技術與菱封零件後來被英國諾頓機車公司（Norton Motorcycles（UK）Ltd）於1980年代初期打造出Commander車款。日本鈴木公司亦曾在1974年推出量產的汪克爾發動機機車RE-5，為了發動機散熱問題而設計的獨特散熱片、旋轉車鑰匙發動時儀錶板的外罩會打開。不過因消費者難以接受新式發動機、油耗表現不佳等問題，讓這輛銷售低迷的機車在1976年壽終正寢。

荷蘭的機車進口製造商範文機車（Van Veen）曾使用寇摩托公司（Comotor SA）製造的汪克爾發動機，在1976年至1981年間推出OCR 1000機車。2011年購入相關設備、設計圖紙、模具等的安德里斯·威靈加（Andries Wielinga）重製了10輛，並公開銷售。

飛機發動機

世界上第一架實驗性汪克爾發動機飛機是美國陸軍在1968年至1969年間使用的QT-2偵察機，源自洛克希德公司（Lockheed Corporation）製造的Q-Star。它的發動機來自柯蒂斯-萊特公司RC2-60型汪克爾發動機，可輸出185hp的最大馬力。

汪克爾發動機也被套用在軍用無人駕駛直升機上，譬如美國西科斯基飛機公司（Sikorsky Aircraft）研發的Cypher和Cypher II，使用UEL AR801型汪克爾發動機，最大馬力為50hp。Cypher II也曾是美國海軍採購無人飛行載具的候選者之一。

其他

由於汪克爾發動機體積小巧、構造簡單，美國柏克萊加州大學的微機電系統汪克爾發動機研究室已經發展出直徑1毫米、排氣量0.1 c.c.的汪克爾發動機；組成的材質包括矽和壓縮空氣。他們最終的目標是開發出一具可以供應100毫瓦特電力的內燃機。

世上最大的汪克爾發動機是1975年至1985年間由美國英格索·蘭德（Ingersoll Rand）公司建造供應，單顆轉子最大馬力550hp、雙轉子則達1100hp；其轉子直徑約一米，排氣量為41,000c.c.。它起源於柯蒂斯-萊特公司以前失敗的設計並加以改良：將發動機轉速限制成1,200rpm，且使用天然瓦斯做燃料。這個改進方式很成功，因為這具世界最大的汪克爾發動機被用來驅動天然氣輸送管線的壓縮機。日本揚馬柴油發動機公司（Yanmar Diesel Co. Ltd）則使用汪克爾發動機組裝在電鋸機或小船發動機等。

除了內燃機的使用，最原始的汪克爾發動機原理也可套用在氣體壓縮機和機械增壓器（supercharger）上，以作為內燃機的輔助裝置。話說回來，假設以汪克爾式機械增壓器加諸在汪克爾發動機上，事實上只是將汪克爾發動機的規模擴大成兩倍而已。最有趣的套用實例是梅賽德斯-賓士和大眾汽車將汪克爾發動機的原理使用在座位安全帶的預緊裝置（pre-tensioner system）上。在這些車款上，當減速感應器偵測到潛在危機時，微量的炸藥被電子裝置觸發爆開致使壓縮氣體灌入汪克爾發動機里，旋即拉緊座位安全帶，使得駕駛者和乘客在意外發生前即被固定在座位上。